СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1996 года по МПК H01S3/94 

Изобретение относится к физике лазеров, в частности к оптическим генераторам ультракоротких световых импульсов, и может быть использовано для создания лазерных источников стабильных импульсов света пико-фемтосекундного диапазона длительности.

Известен способ генерации последовательности оптических импульсов прямоугольной формы [1] Этот способ основан на насыщении активной среды лазера усиленными и сдвинутыми во времени управляющими импульсами для обеспечения режима самопереключения (во время действия управляющего импульса генерация отсутствует). Указанный режим осуществляется при условии, что длительность генерируемых импульсов существенно превышает время жизни возбужденного состояния активной лазерной среды и насыщение производится мгновенной мощностью излучения. При этом генерируется последовательность прямоугольных световых импульсов длительностью, равной времени задержки. Для реализации режима эта задержка не может быть выбрана меньше времени жизни возбужденного состояния активной среды, которое для распространенных лазеров лежит в пределах 10^-9-10^-3 с. Скважность получаемых импульсов генерации равна двум.

Такой способ не реализует возможности стабилизации параметров излучения за счет отрицательной обратной связи под действием управляющего излучения, а низкая скважность импульсов при сравнительно большой длительности ограничивает их практическое применение.

Наиболее близким к заявляемому по физической сущности и достигаемому эффекту является способ генерации ультракоротких импульсов при синхронизации мод твердотельных лазеров с помощью отрицательной обратной связи, осуществляемой оптоэлектронной системой без использования насыщающихся поглотителей [2] Исследованы возможности одновременной синхронизации мод и стабилизации параметров излучения в твердотельном лазере, охваченном цепью отрицательной обратной связи. Система управления вносит внутрирезонаторные потери, величина которых возрастает при увеличении мощности генерации. Для осуществления режима самосинхронизации мод (самопроизвольной генерации последовательности одиночных на аксиальном интервале световых импульсов) характерное время отклика отрицательной обратной связи должно быть сравнимо с временем обхода светом лазерного резонатора, т.е. обратная связь должна быть достаточно быстрой. Другой особенностью режима является небольшое запаздывание сигнала отрицательной обратной связи относительно циркулирующего в резонаторе светового импульса.

Этот способ имеет следующие недостатки: наличие в резонаторе дополнительного (и весьма сложного) элемента электрооптического модулятора потерь, величина которых за счет оптоэлектронной системы управления увеличивается под действием света. Кроме того, оптоэлектронная система обладает внутренней инерционностью, характерное время которой определяет длительность переднего фронта управляющего импульса и, как следствие, препятствует генерации предельно коротких световых импульсов. При использовании оптоэлектронной системы управления длительность лазерного импульса (в зависимости от активной среды) лежит в диапазоне десятков-сотен пикосекунд.

Технической задачей изобретения является сокращение длительности световых импульсов, реализация предельных для режима самосинхронизации мод при задержанной отрицательной обратной связи значений пико-фемтосекундного диапазона, а также упрощение устройства, реализующего способ.

Техническая задача достигается тем, что по способу генерации ультракоротких лазерных импульсов при самосинхронизации мод, осуществляемой с помощью задержанной отрицательной обратной связи, согласно изобретению управление реализуется оптически путем насыщения усиления при подаче непосредственно в объем активного элемента части лазерного излучения, которое дополнительно усиливают и сдвигают во времени. При этом достигается режим предельно быстрой отрицательной обратной связи, когда длительность переднего фронта управляющего воздействия близка к длительности световых импульсов. Усиление управляющего излучения необходимо производить до уровня, достаточного для динамического насыщения лазерной среды и достижения к моменту прихода циркулирующего в резонаторе основного импульса локального во времени максимума усиления.

Предложено также выбирать в качестве активной лазерной среды вещества, время жизни возбужденного состояния которых одного порядка с временем обхода светом лазерного резонатора.

Так как более заостренному во времени ходу усиления соответствует меньшая длительность генерируемых импульсов света, предпочтительно перейти от непрерывной накачки активной среды лазера к накачке последовательностью импульсов, следующих с временным интервалом, равным или кратным времени обхода светом лазерного резонатора, так как в этом случае реализуется более короткий фронт нарастания усиления.

Обострение временной зависимости достигается также при сокращении длительности (временное сжатие) управляющих импульсов. В этом случае насыщение производится более короткими импульсами и фронт срыва усиления сокращается. В результате уменьшение длительности генерируемых импульсов превышает сокращение управляющих импульсов достигается усиление эффекта временного сжатия.

Сущность изобретения заключается в том, что при осуществлении управления усилением лазерной среды непосредственно усиленным и сдвинутым во времени лазерным излучением удается реализовать предельно короткий передний фронт управляющего импульса, который в этом случае определяется только длительностью световых импульсов, а не внутренней инерционностью дополнительных управляющих устройств, что в свою очередь позволяет получать предельно короткие для режима самосинхронизации мод при задержанной отрицательной обратной связи световые импульсы. Условием оптимальной реализации режима является выбор активной лазерной среды, время жизни возбужденного состояния которой одного порядка с временем обхода светом резонатора, так как в этом случае управляющее воздействие насыщения частично сохраняется в промежутках между следующими друг за другом лазерными импульсами. Это позволяет эффективно подавить паразитное излучение. Кроме того, проявление управляющего воздействия непосредственно во времени прохождения генерируемого импульса позволяет сохранить стабилизирующее воздействие собственно отрицательной обратной связи. Скважность импульсов при этом может быть весьма высокой и превышать несколько порядков.

Таким образом, указанное отличие, а именно применение оптической отрицательной обратной связи, когда из циркулирующего в резонаторе лазера основного излучения выделяют часть и далее из этой части путем усиления и временного сдвига формируют управляющее излучение, которое затем подают непосредственно в объем активного элемента лазера, причем усиление управляющего излучения производят до уровня, достаточного для насыщения активной среды на переднем фронте управляющего импульса и достижения к моменту прихода основного импульса максимума усиления, приводит к образованию нового способа генерации световых импульсов, реализующего предельные возможности явления самосинхронизации мод при задержанной отрицательной обратной связи.

Оценки параметров световых импульсов следуют из анализа установившегося режима синхронизации мод. При генерации последовательности установившихся импульсов временной код G_A(t) усиления активной среды также носит периодический характер и может быть разбит на два основных этапа: насыщение, т.е. резкий спад усиления во время действия управляющих импульсов I(t), и возрастание усиления под действием накачки. Усиление G_A(t) имеет пилообразную форму, причем собственное лазерное излучение i(t) проходит активную среду в максимуме усиления. На фиг. 1 представлены временные зависимости коэффициента усиления G_A(t), управляющего излучения I(t) и основных лазерных импульсов i(t) в установившемся режиме генерации.

Формирование установившейся длительности импульса определяется двумя процессами. Сужение импульса происходит за счет временной модуляции усиления активной среды, а расширение определяется конечной спектральной шириной линии усиления. Ситуация во многом аналогична генерации ультракоротких импульсов в непрерывном режиме при других способах синхронизации мод. Обобщение предлагавшихся ранее расчетных методик дает следующую зависимость длительности светового импульса, генерируемого в режиме синхронизации мод при быстрой оптической отрицательной обратной связи:
τ=τ2/3ф

•Tln
(1) где τ_ф время, характеризующее конечную ширину линии усиления активной среды; Т_A время жизни возбужденного состояния активной среды; Г коэффициент потерь лазерного резонатора; G_o ненасыщенное усиление активной лазерной среды; I_м пиковое значение мощности лазерного излучения; I_s мощность насыщения активной лазерной среды.

Ввиду весьма слабой зависимости выражения, стоящего в фигурных скобках, от параметров генерации его можно приближенно считать постоянной величиной, описывающей для данной активной среды большинство экспериментально реализуемых ситуаций. Тогда выражение (1) переходит в
τ A•τ2/3ф

•T1/3А
(2)
Большего укорочения можно ожидать при переходе от непрерывной накачки активной среды к накачке последовательностью импульсов длительностью τ_p, следующих с временным интервалом, равным или кратным времени обхода светом лазерного резонатора. В этом случае временной ход усиления имеет более заостренную форму, что приводит к более быстрой временной модуляции. Характерный вид временного хода усиления G(t), управляющего излучения I(t) основных лазерных i(t) и накачивающего импульсов I_p(t) показаны на фиг. 2. Длительность генерируемых в таком режиме импульсов определяется соотношением, по форме близким к выражению (2):
τ B · τ2ф^/3 · τ1ф^/3 (3)
Основное отличие от выражения (2) состоит в замене Т_A на τ_p. Эти времена обычно различаются на 2-3 порядка и, таким образом, ожидаемая длительность импульса может быть уменьшена в 5-10 раз. Еще большего укорочения импульсов можно достичь при переходе к способу генерации, сформулированному в п. 4. Временное сжатие управляющих импульсов, осуществляемое в цепи обратной связи, позволяет укоротить импульсы, циркулирующие в лазерном резонаторе. Расчеты показывают, что в этом случае выполняется условие
τ_рез.К=
(4)
τ_вых.К=τ_o•K
(5) где К коэффициент компрессии, характеризующий устройство временного сжатия; τ_o- длительность импульсов, получаемая в схеме без компрессора (по п. 1, 2 и 3); τ_рез.к- длительность импульсов, циркулирующих внутри лазерного резонатора в случае включения в схему лазерной установки компрессора; τ_вых.к- длительность выходных импульсов.

Учитывая, что коэффициент компрессии обычно достигает 5-100 раз согласно условию (5), выигрыш в длительности оказывается 10-500-кратным.

Предложенный способ можно реализовать с помощью устройств, оптические схемы которых приведены на фиг. 3-7. Возможная реализация для случая лазерной накачки активной среды (в этом случае реализуется как п. 1, 2, так и п. 3) схематически представлена на фиг. 3. Резонатор лазера состоит из глухого 1, полупрозрачного 2 зеркал и активной среды (АС). Часть излучения через зеркало 2 поступает в петлю оптической обратной связи, образованную глухими для лазерного излучения зеркалами 3-5 и усиливающей средой (УС). Зеркало 4 выполнено прозрачным для излучения лазера накачки, через него накачивающее излучение совместно с основным излучением лазера вводится в УС и АС. Необходимый временной сдвиг управляющего излучения в петле обратной связи осуществляется перемещением зеркал 3 и 4 в направлении распространения света. После прохождения генерирующей области активного элемента управляющее излучение выводится из резонатора, оно является выходным для описанной системы.

Использование слабоусиливающих активных лазерных сред приводит к необходимости применения в петле обратной связи нескольких усиливающих элементов (фиг. 4) либо к переходу к многопроходовым конструкциям. Примеры подобных схем представлены на фиг. 5.

Многопроходовое усиление позволяет также осуществить объединение функций АС и УС в одном элементе АС (фиг. 6). Управление насыщением при таком решении осуществляется на последнем проходе, многопроходовость позволяет набрать необходимое усиление в петле обратной связи. Для реализации многопроходового усиления служит оптическая схема, собранная из направляющих зеркал 6-9.

Переход к п. 4 формулы требует включения в петлю обратной связи специального устройства компрессора световых импульсов. В остальном принципы построения лазерного устройства аналогичны техническим решениям, представленным на фиг. 3-6. К настоящему времени известно множество устройств, осуществляющих укорочение световых импульсов их временную компрессию. Достигнутые на практике коэффициенты компрессии превышают два порядка. Основными элементами перспективных компрессоров являются система фазовой модуляции (ФМС) в сочетании с дисперсионной системой (ДС), которая преобразует квадратичную фазовую модуляцию во временное сжатие импульса. Разработаны как активная (с помощью внешних устройств), так и нелинейная пассивная модуляция (основанная на самовоздействии системы фазовой модуляции). Активная фазовая модуляция осуществляется при прохождении света через нелинейный кристалл, на который наложено гармонически меняющееся во времени управляющее напряжение. Самовоздействие, характерное для пассивной фазовой модуляции, осуществляется, как правило, при распространении излучения в волоконных световодах. В зависимости от величины длительности сжимаемого импульса применяют призменные, решеточные и гибридные дисперсионные системы. Устройство, реализующее п.4, схематически представлено на фиг. 7.

Результаты оценок длительности импульса для различных лазерных активных сред, традиционно применяемых для генерации и усиления ультракоротких импульсов света, приведены в таблице. Представлены значения, соответствующие рассмотренным выше способам генерации. Отчетливо проявляется заметное (примерно на порядок) сокращение длительности импульса при переходе от способа по п. 1, 2 к способу по п. 1, 2, 3 и далее при переходе от способа по п. 1, 2, 3 к способу по п. 1, 2, 3, 4 для всех активных лазерных сред. Из таблицы видно, что для реализации п. 1, 2, 3, 4 в случае применения традиционно используемых при генерации пико-фемтосекундных импульсов света лазерных сред (органические красители и F-центры) достигаются длительности импульса, близкие к рекордным значениям. Существенный (более чем на порядок) выигрыш по длительности достигается для эксимерных лазеров. Перспективно применение предложенных способов генерации также и для полупроводниковых лазеров. Главным преимуществом в этом случае является простота и возможность миниатюризации устройств при весьма привлекательных параметрах излучения.

Использование: в физике лазеров, в частности в оптических генераторах световых импульсов пико-фемтосекундного диапазона длительности. Сущность изобретения: предельно быстрое оптическое управление в режиме самосинхронизации мод при задержанной отрицательной обратной связи осуществляется за счет насыщения усиления путем подачи части предварительно усиленного и сдвинутого по времени излучения непосредственно в объем активного лазерного элемента. Оптимум достигается, когда в качестве активного элемента используются вещества, время жизни возбужденного состояния которых одного порядка с временем обхода светом резонатора лазера. При переходе от непрерывной накачки активной среды к накачке последовательностью импульсов, следующих с интервалом, равным или кратным времени обхода светом резонатора лазера, длительность светового импульса сокращается примерно на порядок. Большее сокращение реализуется при сокращении длительности усиленных световых импульсов до прохождения активной среды лазера. 3 з. п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ при самосинхронизации мод, осуществляемый с помощью задержанной отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что из циркулирующего в резонаторе лазера основного излучения выделяют часть и далее из этой части путем усиления и временного сдвига формируют управляющее излучение, которое затем подают непосредственно в объем активного элемента лазера, при этом усиление управляющего излучения производят до уровня, достаточного для насыщения активной среды на переднем фронте управляющего импульса и достижения к моменту прихода основного импульса максимума усиления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной лазерной среды используются вещества, время жизни возбужденного состояния которых одного порядка с временем обхода светом резонатора лазера. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накачку активной лазерной среды осуществляют последовательностью импульсов, следующих с временным интервалом, равным или кратным времени обхода светом резонатора лазера. 4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что до прохождения управляющим излучением активной лазерной среды производят сокращение длительности управляющих световых импульсов.